DE2550029C3

DE2550029C3 - Kernbrennstoffelement

Info

Publication number: DE2550029C3
Application number: DE2550029A
Authority: DE
Inventors: Louis Fussell Schenectady N.Y. Coffin Jun.
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-11-11
Filing date: 1975-11-07
Publication date: 1987-12-03
Also published as: ES442003A1; DE2550029A1; IT1048624B; JPH0213280B2; BE835481A; DE2550029B2; FR2290738A1; JPS5169795A; SE9100149L; SE419485B; JPS606893A; SE7511581L; GB1525717A; FR2290738B1; BR7507461A; SE9100149D0; MX3667E; JPS5533037B2

Description

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Die Erfindung betrifft ein Kernbrennstofielement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein Kernbrennstoffelement der vorgenannten Art ist in der DE-AS 16 39 249 beschrieben. Bei diesem bekannten Element besteht die Schutzschicht aus einem Wasserstoff bindenden Stoff aus Yttrium, Cer oder 15 einem anderen seltenen Erdmetall oder aus einer Legierung auf der Basis dieser Stoffe.

Diese Stoffe reagieren jedoch entweder »nit dem Hüllenmetall und verändern dadurch dessen Eigenschaften oder sie wirken als Neutronenabsorber oder sie sind nicht ausreichend plastisch deformierbar.

Weil Spaltprodukte der Kernspaltung aus oberflächennahen Bereichen (bis zu 20 um) der Brennstoffpellets in eine Hülle z. B. aus Zircaloy eindringen und in einer Tiefe von 10 bis 20 &mgr;&pgr;&igr; der Innenfläche gespeichert werden, 20 was zu einer Versprödung des Hüllenmaterials führt, wird in der japanischen Gebrauchsmusterschrift 49-11 99 vorgeschlagen, die Innenseite der Hülle mit mindestens einem aus der Gruppe von Nb, Mo, Mg, Al, Ti, Fe, Zn, Sn und Zr ausgewählten zusätzlichen Überzugsmaterial in einer Dicke von 10 bis 30 &mgr;&pgr;&igr; zu versehen. Diese Metalle sind im Hinblick auf möglichst geringe Neutronenabsorption ausgesucht. Der Überzug ist ein verlorenes Material, das anstelle der Hülle bewußt durch die Spaltprodukte beschädigt werden soll. Gegenüber dem hier 25 angestrebten Zweck der Eliminierung der Spaltprodukte, d. h. ihrer Eindringtiefe von 10-20 &mgr;&pgr;&igr;, weist dieser Überzug bereits einen Sicherheitszuschlag von 50 bis 200% auf und es wird fälschlich davon ausgegangen, daß die Hülle selbst, die ebensogut aus Edelstahl oder Aluminium bestehen kann, wegen des inneren Überzugs nicht angegriffen wird. Das einzige zur Aufbringung des Überzugsmaterials am Beispiel von Zr beschriebene Verfahren ist die Silberspiegel-Reaktion, die sich aber selbst bei ihrer sinnvollen Übertragung auf Zirkonium als 30 undurchführbar erweist.

Es war bekannt und ist beispielsweise von STEINAR in Nuclear Engineering and Design, 21 (1972) 237-253 beschrieben, daß eine mechanische Wechselwirkung zwischen den Brennstoffpellets und der Hülle in letzterer zu Deformationen und zum Reißen führt. Dieses insbesondere bei Leistungstransienten auftretende, kurz als PCI bezeichnete Problem stellt so hohe Anforderungen an die Hülle, daß seine Lösung in dieser Veröffent-JJ 35 lichung als unmöglich bezeichnet wird.

|| In einer Veröffentlichung von GITTUS in Nuclear Engineering and Design, 30 (1974) 293-295 wird die

l| Wirkung einer Zwischenschicht aus Weichmetall auf die Ausdehnung zerbrochener Pellets in zerstörten Hüllen

i| bei plötzlichen Leistungssteigerungen theoretisch durch mathematische Analysen untersucht. Danach soll sich

&Kgr; der Reibungskoeffizient auf etwa ein Drittel des Wertes ungeschmierter Flächen vermindern lassen. Diese

»| 40 Berechnungen setzen eine unmittelbare Berührung der Brennstoffpellets mit der Innenseite der Hülle bzw. mit

|> einer mit der Hülle nicht verbundenen metallischen Zwischenschicht voraus. Es werden keine Angaben über

If geeignete Metalle gemacht.

I Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, das Kernbrennstoffelement der eingangs genannten Art

|; dahingehend zu verbessern, daß Reaktionen des Materials der Schutzschicht mit dem Hüllenmaterial vermieden

?;.' 45 werden, die Neutronenabsorption durch das Material der Schutzschicht vermindert und eine ausreichende

(| plastische Deformierbarkeit des Materials der Schutzschicht gegeben ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß

Y dadurch gelöst, daß diese Schutzschicht aus Zirkon besteht.

[· Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffelement wird der Angriff von Wasser, Wasserdampf und anderen

p: Gasen, insbesondere Wasserstoff, die mit der Hülle vom Inneren des Brennstoffelementes her reagieren, auf die

f: 50 Hülle während der gesamten Zeit vermindert, während der das Brennstoffelement beim Betrieb der Kernkraft-

C;, anlagen verwendet wird. Und dies deshalb, weil das Zirkon der Schutzschicht chemisch rasch mit dem Wasser,

■&idiagr;, dem Wasserdampf und anderen Gasen reagiert und diese dadurch aus dem Inneren der Hülle entfernt. Dadurch

jrJ: werden Beschädigungen der Hülle aufgrund der Reaktion der genannten Stoffe mit der Hülle, wie Rißbildung

'■-· infolge Reaktionsversprödung vermieden. Dies wird zusätzlich dadurch unterstützt, daß der Behälter vorzugs-

i_r, 55 weise nur teilweise mit dem Kernbrennstoff gefüllt ist, was die lokalisierte mechanische Beanspruchung der

!?:! Hülle durch den Kernbrennstoff vermindert bzw. beseitigt.

*■'■ Die Schutzschicht macht etwa 5 bis etwa 30% der Stärke der Hülle aus und besteht aus Zirkon mit weniger als

'..-' 1000 ppm und bevorzugt weniger als 500 ppm an Verunreinigungen.

; Die Erfindung bring; den wesentlichen Vorteil mit sich, daß das Hüllenmaterial vor einer Berührung mit

&iacgr; &ohgr; beispielsweise den Spaltprodukten und korrosiven Gasen durch die metallurgisch damit verbundene Schutzschicht geschützt ist und daß diese Schutzschicht aus Zirkon keine nennenswerten Nachteile hinsichtlich Neutroneneinfang, Wärmeübertragung oder Materialunverträglichkeiten mit sich bringt. Die Schutzschicht schützt auch die Hülle vor örtlichen Beanspruchungen, die an der Grenzoberfläche zwischen Brennstoff und Schutzschicht auftreten.

65 Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine Teilschnittansicht einer Kernbrennstoffkassette, die erfindungsgemäß ausgebildete Kernbrennstoffelemente enthält, und

Fig. 2 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Kernbrennstoffelements der Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine Teilschnittansicht einer Kernbrennstoffkassette 10 dargestellt. Diese Brennstoffkassette besteht aus einem rohrförmigen Durchlaufkanal 11 mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt, der an seinem oberen Ende mit einem Hebebügel 12 und an seinem unteren Ende mit einem nicht dargestellten Nasenstück versehen ist. Das obere Ende des Kanals 11 ist bei 13 offen und das untere Ende des Nasenstücks ist mit Kühlmitteldurchlauföffnungen versehen. Eine Reihe von Brennstoffelementen 14 ist im Kanal 11 angeordnet und wird durch eine Platte 15 am oberen Ende und eine nicht dargestellte Platte am unteren Ende getragen. Das flüssige Kühlmittel tritt im allgemeinen durch die Öffnungen im unteren Ende des Nasenstücks ein, fließt rund um die Brennstoffelemente 14 nach oben und tritt am oberen Auslaß 13 in zum Teil verdampiien Zustand bei Siedereaktoren oder in unverdampftem Zustand mit erhöhter Temperatur bei Druckreaktoren aus.

Die Kembrennstoffelemente 14 sind an ihren Enden mit Endpfropfen 18 verschlossen, die an der Verbundhülle 17 angeschweißt sind, und die Bolzen 19 umfassen können, um die Befestigung der Brennstoffelemente in der Kassette zu erleichtern. Ein leerer Raum bzw. eine Höhlung 20 ist an einem Ende des Elements vorgesehen, um Längsausdehnuiigen des Brennstoffmaterials und eine Anreicherung von Gasen zu ermöglichen, die vom Brennstoffmaterial abgegeben werden. Ein Teil 24 zum Zurückhalten des Kernbrennstoffmaterials, das als spiralförmiges Element ausgebildet ist, ist im Raum 20 angeordnet, um eine Einschränkung der Längsbewegung der Pelletsäule, insbesondere beim Handhaben und beim Transport des Brennstoffelements zu bewirken.

Das Brennstoffelement ist derart ausgebildet, daß ein ausgezeichneter Wärmekontakt zwischen dem Mantel und dem Brennstoff material, ein Minimum an nachteiliger Neutronenabsorption und Beständigkeit gegen Verbiegen und Vibration vorgesehen werden, die gelegentlich beim Durchfluß des Kühlmittels mit hoher Geschwindigkeit auftreten können.

Ein erfindungsgemäß ausgebildetes Kernbrennstoffelement 14 ist im Teilschnitt in Fig. 1 dargestellt. Zu dem Brennstoffelement 14 gehören ein Kern bzw. ein zentraler, zylindrischer Abschnitt aus Kernbrennstoffmaterial 16, der hier in Form mehrerer Brennstoffpellets aus spaltbarem und/oder Brut-Material dargestellt ist, das in einer Verbundhülle 17 als Behälter angeordnet ist. In einigen Fällen können die Brennstoffpellets verschiedene Formen besitzen, wie z. B. zylindrische Pellets oder Kugeln, und in anderen Fällen können verschiedene Brennstofformen verwendet weiden, z. B. feinteiliger Brennstoff. Die physikalische Form des Brennstoffs ist für die Erfindung nicht kritisch. Es können verschiedene Kernbrennstoffmaterialien unter Einschluß von Uranverbindungen, Plutoniumverbindungen, Thoriumverbindungen und ihren Gemischen verwendet werden. Ein bevorzugter Brennstoff ist Urandioxid oder ein Gemisch mit Urandioxid und Plutoniumdioxid.

Nach Fig. 2 ist das Kernbrennstoffmaterial 16, das den zentralen Kern des Brennstoffelements 14 darstellt, von einer Verbundhülle 17 umgeben. Die Verbundhülle 17 besteht aus einer Hülle 21 aus den üblichen Materialien, wie rostfreiem Stahl und Zirkonlegierungen, und bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Hüllenmaterial um eine Zirkonlegierung, wie Zircaloy-2. Die Hülle 21 weist eine an ihrer Innenfläche metallurgisch gebundene Schutzschicht 22 aus Zirkon auf, die ein Schild zwischen der Hülle 21 und dem Kernbrennstoffmaterial im Mantel bildet.

Die Reinheit des Zirkons der Schutzschicht ist ein wesentliches Merkmal und sie dient dazu, der Schutzschicht spezielle Eigenschaften zu verleihen. Im allgemeinen liegen weniger als etwa 1000 Teile je Million Verunreinigungen im Zirkon der Schutzschicht und vorzugsweise weniger als etwa 500 Teile je Million vor. Dabei wird Sauerstoff bei einem Wert von weniger als etwa 200 Teilen je Million gehalten.

Bei der Verbundhülle des Kernbrennstoffelementes gemäß der Erfindung ist die Schutzschicht metallurgisch fest an die Hülle gebunden. Metallografische Untersuchungen zeigen, daß eine ausreichende vernetzende Diffusion der Hülle und der Schutzschicht zur Bildung einer Bindung, jedoch keine ausreichende vernetzende Diffusion vorliegt, um die Schutzschicht selbst in irgendeinem Ausmaß außerhalb des Bindungsbereiches zu kontaminieren.

Reines Zirkonmetall ist gegenüber einer Strahlungshärtung hoch beständig (ASTM Special technical Publication 551). Dies macht es möglich, daß die Schutzschicht nach langer Bestrahlung ihre Struktureigenschaften, wie Streckgrenze und Härte, im gleichen Maße beibehält, wie übliche Zirkonlegierungen vor der Bestrahlung. Tatsächlich erfährt die Schutzschicht eine sehr geringe Strahlungshärtung; diese Eigenschaft zusammen mit der niedrigen Ausgangsstreckgrenze ermöglicht es, daß die Schutzschicht plastisch deformiert werden kann und durch Pellets hervorgerufene Beanspruchungen im Brennstoffelement bei vorübergehenden Krafteinwirkungen herabsetzt. Durch Pellets hervorgerufene Beanspruchungen im Brennstoffelement können z. B. durch Anschwellen der Pellets des Kernbrennstoffs bei den Reaktorbetriebstemperaturen (300 bis 350° C) auftreten, so daß die Pellets mit der Verbundhülle in Berührung kommen.

Es wurde festgestellt, daß eine Schutzschicht aus Zirkon mit einer Stärke in der Größenordnung von vorzugsweise etwa 5 bis 15% der Hülle und einer besonders bevorzugten Stärke von 10% der Hülle, die metallurgisch an eine Hülle aus Zirkoniumlegierung gebunden ist, eine Verminderung der Beanspruchungen und eine Schutzwirkung bedingt, die ausreichen, um einen Bruch der Hülle zu verhindern.

Die Verbundhülle für die Kernbrennstoffelemente gemäß der Erfindung kann nach einem der folgenden Verfahren hergestellt werden:

1) Es wird ein hohles Rohr aus Z-irkonmetaii für die Schutzschicht in einen huhieii Knüppel dci Legierung für die Hülle eingesetzt; danach wird die Einheit einer Explosion zum Verbinden des Rohres mit dem Knüppel ausgesetzt. Das zusammengesetzte Element wird bei einer erhöhten Temperatur von etwa 538 bis etwa 750° C unter Verwendung üblicher Rohrmantelextrusionstechniken extrudiert. Das extrudierte zusammengesetzte Element wird danach einem Verfahren mit üblicher Rohrverkleinerung unterworfen, bis die gewünschte Größe der Verbundhülle erreicht ist.

2) Es wird ein hohles Rohr aus Zirkonmetall für die Schutzschicht in einen hohlen Knüppel aus einer Legierung eingesetzt, die für die Hülle gewählt wurde, und danach wird die Einheit einer Heizstufe (z. B.

750° C etwa 8 Stunden lang) unterworfen, um eine Diffusionsbindung zwischen dem Rohr und dem Knüppel zu erzielen. Das zusammengesetzte Element wird danach unter Anwendung üblicher Rohrmantelextrusionstechniken extrudiert und das extrudierte zusammengesetzte Element wird einem Verfahren mit üblicher Rohrverkleinerung unterworfen, bis die gewünschte Größe der Verbundhülle erzielt ist.
3) Es wird ein hohles Rohr aus Zirkonmetall für die Schutzschicht in einen hohlen Knüppel aus einer Legierung eingesetzt, die für die Hülle gewählt wurde, und die Einheit wird unter Anwendung üblicher Rohrmantelextrusionstechniken extrudiert. Danach wird das extrudierte zusammengesetzte Element einem Verfahren mit üblicher Rohrverkleinerung unterworfen, bis die gewünschte Größe der Verbundhülle erzielt ist.

Die vorstehend angeführten Verfahren zur Herstellung der Verbundhülle für das Kernbrennstoffelement gemäß der Erfindung bieten wirtschaftliche Vorteile gegenüber anderen Verfahren, die zur Herstellung von solchen Verbundhüllen angewendet werden, wie z. B. Elektroplattieren oder Dampfabscheidung.

Die vorliegende Erfindung bietet viele Vorteile, wobei sie eine lange Betriebsdauer des Kernbrennstoffelementes fördert einschließlich einer Verminderung chemischer Angriffe auf die Hülle, einer Herabsetzung örtlicher Beanspruchungen der Hülle, einer Herabsetzung der Spannungskorrosion der Hülle und einer Verminderung der Gefahr der Rißbildung, die in der Hülle eintreten kann. Erfindungsgemäß wird ferner eine Ausdehnung (bzw. ein Schwellen) des Kernbrennstoffs in unmittelbare Berührung mit der Hülle vermieden; dadurch werden örtliche Beanspruchungen der Hülle, ein Beginn oder eine Beschleunigung der Spannungen der Hülle und ein Verbinden des Kernbrennstoffs mit der Hülle verhindert.

Ein wesentlicher Vorteil der Verbundhülle des Kernbrennstoffelements gemäß der Erfindung besteht darin, daß die vorstehenden Verbesserungen mit einem vernachlässigbaren zusätzlichen Neutronenverlust erzielt werden können. Eine derartige Verbundhülle ist für Kernreaktoren gut verwendbar, da sie beim Ausfall von Kühlmittel kein Eutektikum oder bei einem Unfall mit Herunterfallen eines Steuerstabes kein Eutektikum bilden würde. Ferner ist der Wärmeübertragungsverlust bei dieser Verbundhülle sehr gering, da keine thermische Schranke für die Übertragung von Wärme vorliegt, wie sie dann resultiert, wenn eine separate Folie oder eine separate Auskleidung in ein Brennstoffelement eingesetzt wird.

Nachstehend wird die Erfindung durch Beispiele näher erläutert.

Beispiele 1 und 2

Es wurden Knüppel und einzusetzende Rohre maschinell hergestellt, gereinigt und nach üblichen Extrusionsarbeitsweisen zusammengesetzt; alle Maße wurden so gewählt, daß die Verbundknüppel in einer heißen Extrusionspresse extrudiert werden konnten. Die Knüppel bestanden aus üblicher Zircaloy-2 entsprechend ASTM B353 (Qualität RA-I) und die Rohreinsätze wurden aus Zirkon hoher Reinheit hergestellt. Alle Knüppelbohrungen und Rohreinsätze wiesen eine Verjüngung von 0,02 cm/2,54 cm auf; sie wurden zusammengepreßt, um einen guten Kontakt zwischen den einander berührenden Flächen zu gewährleisten. Die Maße der maschinell hergestellten Teile waren folgende:

Knüppel	x Außen	X	Innen	Rohreinsatz	X	Innen
Länge	durchmesser		durchmesser	Außen		durchmesser
				durchmesser
[cm]			[cm]

Beispiel 1	22,9	X	14,6	X	6,2	6,2	X	4,2
Beispiel 2	22,9	X	14,6	X	6,2	6,2	X

Vor dem Zusammensetzen der Knüppel und der Einsätze wurden die einander berührenden Flächen zum Entfernen von Spuren von Verunreinigungen mit einer Lösung aus 70 ml H₂O, 30 ml HNO₃ und 5 ml HF leicht so geätzt.

Um die Bindung zwischen den Einsätzen und den Knüppeln beim Extrudieren zu verbessern, wurden die Einheiten zuvor miteinander verbunden. Dies wurde dadurch erzielt, daß man die sich verjüngenden Einsätze unter Vakuum (§ 20 &mgr;&pgr;&igr;) in die sich verjüngenden Zylinder der Knüppel preßte, wobei man die Knüppeltemperatur 8 Stunden lang bei 750° C hielt. Die Kräfte, die zu Beginn des Pressens an die Einsätze angelegt wurden, reichten von 13 608 bis 20 412 kg.

Nach der Wärmebehandlung wurden zwei Knüppel durch Ultraschall hinsichtlich der Bindung getestet. Die Ergebnisse zeigten, daß der Grad der Bindung zwischen dem eingesetzten Rohr und dem Knüppel in der Größenordnung von 20 bis 25% der Grenzfläche lag. Um den Verlust von Enden beim Extrudieren herabzusetzen, wurde ein 5 cm langer Zircaloy-2-Knüppel an jedes Ende der Verbundknüppel geschweißt und maschinell geglättet.

Das Extrudieren der Knüppel zu Rohrmänteln wurde mit folgenden Parametern durchgeführt: Extrusionsrate 15 cm/min, Verkleinerungsverhältnis 6:1, Temperatur 593° C und Extrusionskraft 3500 t.

Alle Knüppelflächen außer der inneren Rohrwandung und dem fliegenden Dorn wurden mit einem wasserlöslichen Gleitmittel gleitend gemacht, das bei 704° C eine Stunde lang aufgebrannt wurde. Beide Enden des Rohrmantels wurden glattgeschnitten und die Innenfläche wurde zum Entfernen möglicher Oberflächenfehler und zum Verbessern des Endzustandes geschliffen. Die Endmaße der Rohrmäntel waren folgende: Außendurchmesser 6,35 cm, Innendurchmesser 4,17 cm und Länge 1,52 m.
Für die Endverkleinerung der Rohrmäntel zu Brennstoffelementen folgte man der Standardarbeitsweise, die

vier Verkleinerungen mit Reinigungen und Glühen zwischen jeder Stufe umfaßt. Die Parameter dieses Verfahrens sind in der Tabelle 1 zusammengefaßt.

Tabelle 1

Parameter der Verkleinerung des koextrudierten Rohres

Stufe	Außen	Stärke des	Innendurch	Verkleinerung	Qe")
	durchmesser	zusammengesetzten	messer, ein
		Elementes	gesetztes Rohr
	(cm)	(cm)	(cm)	(%)

Beginn mit
dem Rohmaterial

6,35

1,08

4,19

Innen	Außen	Maße des
durch	durch	Innenfutters
messer	messer
(cm)	(cm)	(cm)

Beispiel 1 1,105 1,255 0,0850±0,0075

Beispiel 2 1,105 1,255 0,0825 ±0,0075

Jeder Rohrmantel lieferte mehr als 107 m Rohr hoher Qualität, wobei alle Grenzflächen gut verbunden

25

Säubernzum Glühen (Entfetten-basischerSeifengrundlage) Glühen - 676° C-Ih

1. Durchgang 4,28 0,68 2,92 57 1,2

Säubern zum Glühen
Glühen - 619° C-Ih

2. Durchgang 2,86 0,41 2,04 60 1,4

Säubern zum Glühen
Glühen - 619° C-Ih

3. Durchgang 1,91 0,22 1,47 64 1,7

Säubern zum Glühen
Glühen - 619° C-Ih

4. Durchgang 1,258 0,075 1,108 70 2,3

Säubern zum Glühen
Glühen - 576° C - 2'&Lgr; bis 4 h Ätzen bis

1,255 0,075 1,105

^x) Qe ist als das Verhältnis der prozentualen Veränderung der Wandstärke zur prozentualen Veränderung des mittleren Durch- 30 messers definiert.

Die Maße der Endprodukte sind in Tabelle 2 zusammengestellt.

Tabelle 2 ₃₅

waren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

50 55

Claims

Patentansprüche:

1. Kernbrennstoffelement mit einem zentralen Körper aus einem Kernbrennstoff in einer mit Endstopfen verschlossenen, länglichen Hülle, die aus einer Zirkonlegierung besteht und auf ihrer dom Kernbrennstoff

5 zugewandten Seite metallurgisch mit einer Schutzschicht aus Metall verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schutzschicht (22) aus Zirkonmetall mit weniger als 1000 ppm an Verunreinigungen besteht und eine Dicke von 5 bis 30% der Dicke der Hülle hat.

2. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (22) eine Dicke von 5 bis 15% der Hülle hat.